Chap 3 basic amplifier circuits
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CHAP.3 Basic Amplifier Circuits. CHECKPOINT. 放大器的基本工作原理 用图解法分析共发射极放大器的静态工作点,及 最大不失真输出幅度。 用小信号等效电路分析 BJT 三种组态放大器和 FET 共源放大器,并进行比较。 用小信号等效电路分析等效电路分析多级放大器 的性能。 了解放大器的频率特性。. 放大器. 晶体管. 电压. 小信号. 低频. 阻容. § 3.1 Basic Concept. 放大器是放大电信号的装置,其基本任务是将微弱信号不失真地放大到所需的值, 即用较小的信号去控制较大的信号。.

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Chap 3 basic amplifier circuits

CHAP.3 Basic Amplifier Circuits

CHECKPOINT

  • 放大器的基本工作原理

  • 用图解法分析共发射极放大器的静态工作点,及

  • 最大不失真输出幅度。

  • 用小信号等效电路分析BJT三种组态放大器和FET

  • 共源放大器,并进行比较。

  • 用小信号等效电路分析等效电路分析多级放大器

  • 的性能。

  • 了解放大器的频率特性。


3 1 basic concept

放大器

晶体管

电压

小信号

低频

阻容

§ 3.1 Basic Concept

放大器是放大电信号的装置,其基本任务是将微弱信号不失真地放大到所需的值,即用较小的信号去控制较大的信号。

器件——电子管、晶体管、集成电路

用途——放大电压、电流、功率信号

放大器

类型

信号——大信号、小信号

频率——直流、低频、高频、视频

耦合方式——直接、阻容、变压器、光电


Main properties

Io

Ii

RS

+

+

信号源

AMP

负载

+

RL

Ui

Uo

US

-

-

-

Voltage Gain

Current Gain

Power Gain

一. Main Properties

1. Gain

衡量放大器放大微弱信号的能力


2 input resister r i

Io

Ii

RS

+

+

AMP

+

Ri

RL

Ui

Uo

US

-

-

-

Ri

Source Voltage Gain

2. Input Resister Ri

衡量放大器对输入信号的衰减程度,其大小应从

信号有效地传输来确定

传输电压信号要求Ri>>Rs


3 output resister r o

Io

Ii

RS

+

+

AMP

+

+

RL

Uo

Ui

US

-

-

-

-

RO

RO

3. Output Resister RO

衡量放大器对带负载的能力,其大小应从

信号有效地传输来确定

Ro的计算方法与电路分析一致

当负载变化时,Uo基本不变,则要求Ro小


4 distortions

Au

iB

Q

0

f

uBE

4. Distortions

Nonlinear

Distortions

Amplitude

Linear(Frequency)

Phase

晶体管输入、输出特性的

非线性产生非线性失真,

其大小与工作点位置、信

号大小有关


Basic circuit ce

iC

iB

ICQ

t

IBQ

C2

iC

t

+

+

C1

iB

uCE

+

Rc

+

uBE

uCEQ

uBE

Uo

-

-

RL

Rs

Rb

UCEQ

Ui

+

UBEQ

+

+

  • UCC

t

-

UBB

Us

t

-

-

-

-

二. Basic Circuit—CE

+

+

Ui=0,晶体管各极电流、电压为直流

值,放大器处于静态(直流)工作。

分析

各元件的作用

加入输入信号Ui后,晶体管各极电流、

电压随信号而变,放大器处于动态(交

流)工作。


Chap 3 basic amplifier circuits

C2

+

C1

iC

+

+

Rc

+

iB

uCE

Uo

-

RL

Rs

Rb

uBE

Ui

+

+

+

  • UCC

-

-

UBB

Us

-

-

-

-

+Ucc

Rc

C2

Rb

+

C1

+

RL

Rs

Uo

Ui

+

Us

-

-

-

习惯画法

  • 晶体必须工作管在放大区

  • 信号能输入

  • 信号能输出

  • 波形基本不失真


Dc and ac pass

+Ucc

+Ucc

Rc

Rc

Rb

Rb

ICQ

ICQ

+

+

IBQ

IBQ

UCEQ

UCEQ

+

+

UBEQ

(1)

UBEQ

(2)

-

-

-

Re

IEQ

三. DC and AC Pass

1. DC Pass—Find Q-point


Chap 3 basic amplifier circuits

+Ucc

+Ucc

Rc

Rc

Rb1

ICQ

ICQ

+

+

IBQ

I1

(3)

(4)

UCEQ

UCEQ

+

+

UBEQ

UBEQ

-

-

Rb2

Re

Re

IEQ

IEQ

-UEE


Example 1

+Ucc

Rc

Rb

ICQ

+

IBQ

UCEQ

+

UBEQ

-

-

  • 最大ICQM为[Ucc-UCE(sat)]/RC, 放大器工作在放大

    区。

已知:UBE(on)=0.7V,β=40,UCC=12V,

Rb=240KΩ, Rc=3KΩ。求静态

工作点Q 。

Example 1

解:

Discussion

  • 若基极接地或负电压,则偏置电流IBQ=0,管子截止,此时

    UCEQ=UCC 。

  • 若Rb=60KΩ,则IBQ=200uA,ICQ=8mA,UCEQ=-12V,这是不可能

    的。此时放大器工作在饱和状态,UCEQ=UCE(sat),ICQ=βIBQ

    不再成立。


Example 2

已知:UBE(on)=0.7V,β=50,-UCC=-20V,

Rb=200KΩ, Re=4KΩ。求静态工

作点Q。

Rb

ICQ

+

IBQ

UCEQ

+

UBEQ

-

Re

IEQ

Example 2

-Ucc

解:

CONCLUSION

管子截止时:UCEQ=UCC

饱和时:UCEQ=UCES ≈0


2 ac pass find au ri ro

C2

iC

+

+

C1

iB

uCE

+

Rc

+

uBE

Uo

-

-

RL

Rs

Rb

Ui

+

+

+

  • UCC

-

UBB

Us

-

-

-

-

Ic

+

+

Ib

Uce

+

+

Ube

Uo

-

-

RL

Rc

Rs

Rb

Ui

+

Us

-

-

-

2. AC Pass—Find Au、Ri、Ro


Example 1 plot ac pass of figure a and b

Uo

Uo

Ui

Ui

Uo

Ui

Ui

(a)

(b)

Uo

Ui

Example 1 Plot AC pass of figure (a) and (b)

图(a)和图(b)的直流通路相同


Example 2 plot dc and ac pass

+Ucc

+Ucc

DC Pass

+

Uo

+

AC Pass

Us

-

-

+

Uo

+

Us

-

-

Example 2 Plot DC and AC pass


3 2 basic analysis of amplifier

§ 3.2 Basic Analysis of Amplifier

估算法

静态工作

—求静态点Q(直流通路)

分析

放大器

图解法

动态工作

—求Au Ri Ro(交流通路)

等效电路法

图解分析法:形象、直观,但难以准确定量分

析,用来分析非线性失真。

分析方法

等效电路法:对器件建模进行电路分析,运算

简便,结果误差小,仅适用于交

流小信号工作状态。


Graphical analysis

iC

C2

+

+

C1

iB

uCE

+

Rc

+

uBE

RL

Uo

-

-

Rs

Rb

Ui

+

+

+

  • UCC

-

UBB

Us

-

-

-

-

一. Graphical Analysis

1. DC Analysis

Analysis Step

  • 用估算法求出基极电流IBQ(假设为40μA)

  • 根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线。


Chap 3 basic amplifier circuits

iC

C2

+

C1

iB

uCE

Rc

+

RL

Uo

Rs

Rb

Ui

+

+

+

  • UCC

-

UBB

Us

+

-

-

-

-

+

uBE

-

-

作直流负载线。

根据集电极电流iC与集、射间电压uCE的

关系式uCE=UCC-iCRC可画出一条直线,该直线在纵轴

上的截距为UCC/RC ,在横轴上的截距为UCC。

  • 求静态工作点Q,并确定UCEQ、ICQ的值。直流负载线

  • 与输出特性曲线上IB=40μA的交点就是静态工作点Q,

  • 由静态工作点Q便可在坐标上查得静态值ICQ 和UCEQ 。


Chap 3 basic amplifier circuits

两者的交点Q就是静态工作点

DC Load Line

Q

IcQ

UcEQ

由uCE=UCC-iCRC所决定的直流负载线

Ucc/Rc

IB=40μA的输出特性曲线

Ucc

过Q点作水平

线,在纵轴上

的截距即为ICQ

过Q点作垂线,

在横轴上的截

距即为UCEQ


2 ac analysis

  • 根据 在输出特性中画交流负载线

Ic

+

+

Ib

Uce

+

+

Ube

Uo

-

-

RL

Rc

Rs

Rb

Ui

+

Us

-

-

-

2. AC Analysis

Analysis Step

  • 根据静态分析方法,求出静态工作点Q

  • 画放大器交流通路

  • 根据ui在输入特性上求uBE和iB

  • 由输出特性曲线和交流负载线求iC和uBE


Chap 3 basic amplifier circuits

Ic

+

+

Ib

Uce

+

+

Ube

Uo

-

-

RL

Rc

Rs

Ucc/Rc

Q

Rb

Ui

+

Us

-

-

-

IcQ

AC Load Line

UcEQ

Ucc

交流负载线


Chap 3 basic amplifier circuits

ic(mA)

ic(mA)

8

0

A

Q1

μ

60

Q

IBQ

6

0

A

μ

ICQ

Q

40

4

0

A

μ

20

Q2

20

A

μ

0

uBE(V)

uCE(V)

UCEQ

t

UBEQ

I

=0

B

0

t

t

iB(uA)


Q point and nonlinear distortions

RC↓

Q1

Rb↓

Ucc/Rc

Q

Q4

Q3

IcQ

RC↑

Rb↑

Q2

UcEQ

Ucc

Q-point and Nonlinear Distortions

UCES

—极限点Q1 —进入饱和状态

Rb↓— IBQ↑—Q点沿负载线上移

—极限点Q2—进入截止状态

Rb↑— IBQ↓—Q点沿负载线下移

RC↑—负载线斜率增小 —Q点沿IBQ=40uA曲线平移达Q3

RC↓—负载线斜率增大 —Q点沿IBQ=40uA曲线平移达Q4


Chap 3 basic amplifier circuits

ICQ

UCEQ

Saturation Distortions


Cutoff distortions

ICQ

UCEQ

Cutoff Distortions

Cutoff Distortions


Summary

Summary

  • 放大器中的各个量uBE,iB,iC和uCE都由直流分量和交流分量两部分组成。

  • 由于C2的隔直作用,放大器的输出电压uo等于uCE中的交流分量,且与输入电压ui反相。

  • 放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有效值之比求出。负载电阻RL越小,交流负载线越陡,使Uom减小,电压放大倍数下降。

  • 静态工作点Q设置得不合适,会产生非线性失真。即Q点选得偏高,易产生饱和失真;Q点选得偏低,易产生截止失真。


Small signal equivalent circuit analysis

二. Small-Signal Equivalent Circuit Analysis

微变等效电路分析法:非线性元件晶体管在工作点附近的微小范围内,可等效成一个线性电路,此时放大电路可用线性电路的分析方法来分析。

  • 用估算法计算静态工作点Q,并求出rbe

Analysis Step

  • 画出交流通路

  • 晶体管用交流小信号等效电路代替

  • 用电路分析法计算Au、Ri、Ro


Chap 3 basic amplifier circuits

Ic

+

+

Ib

Uce

+

+

Ube

Uo

-

-

RL

Rc

Rs

Rb

Ui

+

Us

-

-

-

Ic

Ib

c

b

+

rbe

Ube

+

-

Ib

Ic

e

e

Ui

+

c

b

Rs

rbe

-

Rb

Uo

RL

Rc

+

Us

e

e

-

-


Au ri ro

Ib

Ic

Ro

Ri

+

c

+

b

Rs

rbe

Rb

Uo

RL

Rc

Ui

+

Us

e

e

-

-

-

计算Au、Ri、Ro

RL'=RC//RL

计算Ro的方法是:信号源短路,负载RL断开,在输出端加电压U,求出由U产生的电流I,则


Features

CE AMP

FEATURES

  • 输出电压信号与输入电压信号反相

  • 电压放大倍数大

  • 输入电阻小

  • 输出电阻大


Example 11

已知:Ucc=12V,Rs=1kΩ,Rb=300kΩ,Rc=3kΩ,RL=3kΩ,

β=50。

试求:1.RL接入和断开两种情况下电路的电压增益Au;

2.输入电阻Ri和输出电阻Ro;

3.输出端开路时的源电压增益Aus。

+Ucc

Rc

C2

Rb

+

C1

+

RL

Rs

Uo

Ui

+

Us

-

-

-

Example 1

解:先求静态工作点Q


Chap 3 basic amplifier circuits

78

再计算rbe


Example 21

已知:UCC=12V,RB1=20kΩ,RB2=10kΩ,RC=3kΩ,β=50

RE=2kΩRL=3kΩ。试估算静态工作点,并求电压增益、

输入电阻和输出电阻。

Example 2

解:1.用估算法计算静态工作点


Chap 3 basic amplifier circuits

2.求电压放大倍数

3.求输入电阻和输出电阻


3 3 common collector amplifier

+Ucc

+Ucc

Rb1

Rb1

ICQ

C1

+

IBQ

+

C2

UCEQ

+

UBEQ

Rs

+

Ui

Rb2

Rb2

+

Re

Uo

RL

Re

Us

§3.3 Common-Collector Amplifier

一. DC Analysis


Ac analysis

+Ucc

b

I

b

Rb1

U

i

C1

U

s

+

U

C2

o

Rs

+

Ui

Rb2

+

Uo

Re

RL

Us

rbe

b

e

Ii

Ib

Ie

+

+

Ic

Rs

Rb1

Re

+

Rb2

RL

c

二. AC Analysis

1.Au


Chap 3 basic amplifier circuits

rbe

Rb

b

e

Ii

Ib

Ie

b

+

I

b

+

Ic

U

Rs

i

U

s

Rb1

Re

+

U

Rb2

RL

o

c

Ri

Ro

2. 输入电阻Ri


Chap 3 basic amplifier circuits

b

I

b

b

e

I

Ib

Rs

U

I1

Ic

+

Rb1

Re

Rb2

c

Ro

3. 输出电阻Ro

方法:信号源Us短路,去掉负载RL,输出端加电压U,产生

电流I,Ro=U/I。

rbe


Cc amp

常用作缓冲极、隔离极。

CC AMP

FEATURES

  • 输出电压信号与输入电压信号同相

  • 电压放大倍数小于1,但约等于1

  • 输入电阻大

  • 输出电阻很小


Example 12

+Ucc

Rb

C1

+

C2

Rs

+

Ui

+

Re

Uo

RL

Us

己知:UCC=12V,Rb=200kΩ,Re=2kΩ,RL=3kΩ,RS=100Ω,

β=50。

试求:1.估算静态工作点;

2.电压增益Au;

3.输入电阻Ri;

4.输出电阻Ro。

Example 1

解:1.用估算法计算静态工作点


Chap 3 basic amplifier circuits

2. Au

3. Ri

4. Ro


Example 22

+Ucc

Rb1

C1

+

C2

Rb

Rs

+

Ui

+

Re

Uo

RL

Rb2

Us

Example 2

己知:UCC=12V,Rb=100kΩ,Rb1=40kΩ,Rb2=80kΩ,Re=3.6kΩ,

RL=3.6kΩ,RS=100Ω,UBE(on)=0.8V,

β=50。试求:

1.估算静态工作点;

2.电压增益Au;

3.输入电阻Ri;

4.输出电阻Ro。

解:1.用估算法计算静态工作点


2 au ri ro

rbe

b

e

Ii

Ib

Ie

b

+

I

b

+

Rb

Ic

U

Rs

i

U

s

Re

+

U

RL

o

Rb2

Rb1

c

Ri

Ro

2. Au、 Ri、 Ro


3 4 common base amplifier

+Ucc

+Ucc

Rc

C1

Rb1

Rc

C2

Rb1

ICQ

+

+

IBQ

Rs

UCEQ

+

Re

Uo

+

RL

UBEQ

Rb2

Cb

Us

Rb2

Re

§3.4 Common-Base Amplifier

一. DC Analysis


Ac analysis1

b

I

b

U

i

U

s

U

o

Ro

Ri

Ii

Ie

e

c

+

Ic

+

Rs

Ib

Rc

rbe

RL

Re

+

b

二. AC Analysis


Cb amp

CB AMP

FEATURES

  • 输出电压信号与输入电压信号同相

  • 电压放大倍数大

  • 输入电阻很小

  • 输出电阻大


3 5 fet amplifier

+UDD

求出UGSQ 和IDQ

Rd

ID

IDQ

+

+

UDSQ

Q

UGSQ

Rg

Rs

IDQ

UGS

UGSQ

0

§3.5 FET Amplifier

只要偏压,不要偏流。

FET种类较多,应用时注意极性。

Features

1. Self-bias Circuit

一. Bias Circuits


2 voltage divider biasing

+UDD

Rd

Rg1

IDQ

+

UDSQ

+

UGSQ

Rg2

Rs

ID

求出UGSQ 和IDQ

UGS

Q

IDQ

UG

0

UGSQ

2. Voltage Divider Biasing


Fet amplifier

+UDD

Rd

C2

Rg1

+

C1

+

Uo

RL

Rg

Ui

Rg2

Rs

Cs

二. FET Amplifier

Common-Source Amplifier

1.静态分析

根据分压式偏置电路求静态工作点


Chap 3 basic amplifier circuits

g

d

Ii

+

+

Id

+

Rg

Ugs

U

U

Rd

s

RL

o

i

Rg2

Rg1

Ri

Ro

2.动态分析


Common drain amplifier

Common-Drain Amplifier

+UDD

Rg1

C1

C2

+

+

Rg

Ui

Uo

RL

Rg2

Rs

1.静态分析

根据分压式偏置电路求静态工作点


Chap 3 basic amplifier circuits

s

g

Ii

+

+

Ugs

Id

+

Rg

U

U

Rs

RL

o

i

Rg2

Rg1

d

Ri

Ro

2.动态分析


3 6 multistage amplifiers

负载

信号源

输入级

中间级

输出级

变压器耦合

阻容耦合

直接耦合

§3.6 Multistage Amplifiers

1.Interstage Coupling Mode

一. Bias Problems

不失真地、有效地传递信号

常用耦合方式


Chap 3 basic amplifier circuits

直接耦合

优点:易实现阻抗匹配。原、副边可以不共地。

输出电压的极性可随意改变。

变压器耦合

缺点:体积大,尤其是低频工作时。

优点:容易实现,各级工作点独立。

阻容耦合

缺点:低频工作时,信号较难通过耦合电容。

优点:可放大缓变的信号、便于电路集成化

缺点:前、后级静态工作点相互有影响,需考

虑电平配置和零漂。


2 selection of configuration

高增益

末级驱动电压

末级驱动电流

漂移小

噪声小

输入电阻高

2. Selection of Configuration

输入级

中间级

输出级

高效率地输出功率

二. Gain、Input and Output Resistance

3. Selection of Quiescent Point

4. Common-Source Coupling


Calculation

Calculation

  • 明确各级电路的组态,正确使用计算公式。

  • 计算电压增益时,需把后级的输入电阻作为前级

    的负载电阻。

  • 多级放大器的输入电阻,一般地讲就是第一级的

    输入电阻。若第一级是CC组态,则需考虑第二级

    的输入电阻。

  • 多级放大器的输出电阻,一般地讲就是末级的输

    出电阻。若末级是CC组态,则需把前级的输出电

    阻作为末级的信号源内阻。


3 7 amplifier frequency response

+

U

CC

R

C

C

2

R

B1

+

C

1

+

+

V

+

R

u

R

L

o

s

u

R

+

+

i

B2

R

u

C

E

s

E

幅频特性

相频特性

§3.7 Amplifier Frequency Response

放大器要放大的信号通常不是一个单一频率的正

弦波。而是由许多频率成分组合起来的复杂波形。由于放大电路中电抗元件与晶体管极间电容的存在,对不同频率的信号,放大器增益的大小和相位都不同。


Amplifier gain versus frequency response

Amplifier Gain Versus Frequency Response

中频段:电压放大倍数近似为常数。

低频段:耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大,以致不可视

为短路,因而造成电压放大倍数减小。

高频段:晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小,

以致不可视为开路,也会使电压放大倍数降低。


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